一枚镶嵌着月岩的结婚戒指。可按任意形状定制的水培花园结构。 喷气发动机燃油喷嘴。一件阿斯顿·马丁汽车模板。这些只是过去两年逐渐登上科技头条的3D打印结构不断扩大的名单中的几个例子。如今家用3D打印机售价已低于500美元，且预计到2018年市场规模将达到 162亿美元，3D打印（3DP）已成为一项不可逆转的趋势。
尽管从吉他、手机到 髋关节置换部件 ，几乎万物都可进行3D打印的想法正逐渐进入大众文化视野，但这项技术的能力尚未充分发挥。正如哈佛大学的Jennifer Lewis等研究人员所展示的那样，这些能力有朝一日或可延伸至极大（建筑、太空）和极小（纳米及原子层面）的尺度。
Lewis女士及其研究团队正致力于逐层制造小至一微米的精密结构，并开发必要的化学工艺、材料、软件和机器，以在许多人看来简直“微小至极”的尺度上3D打印各种物体。例如，2013年，她的实验室成功使用银纳米颗粒打印出用于小型锂离子电池的微型电极。
该团队最有前景的一些研究涉及3D打印生物细胞；最终产品可用于再生医学。探索这一方向的并非只有他们。普林斯顿大学的一个实验室已打印出一种 仿生耳 ，将电子元件与生物组织结合；剑桥大学的一个团队则成功打印出视网膜细胞。同样，在3D打印领域之外，新加坡和剑桥的研究人员已诱导干细胞形成自组织结构，这些结构最终可能成为肝脏或大脑的一部分。
然而，Lewis女士的实验室率先开发出3D打印复杂、厚实生物组织的方法，并在组织中构建由中空管道组成的血管网络。要在微观尺度实现这种复杂结构，必须克服多重障碍，包括相关材料在打印喷嘴内承受压力时可能出现的热脆弱性或结构脆弱性。
对于半导体等产品，以微观碳纤维增强传统材料可提供一种解决办法。对于脆弱的血管细胞，该实验室则开发利用胶体凝胶保护性和黏弹性特质的墨水。其中一些墨水含有精确比例的明胶材料以及小鼠或人类皮肤细胞。在压力作用下，墨水会连续流出喷嘴，同时保持形状，从而能够打印组织。
用于形成血管细胞中空管道的打印层，使用一种在室温下以固态、凝胶状挤出的墨水，但冷却后会液化。打印出包含这种墨水层的复杂组织后，研究人员会冷却组织并用真空抽出液化的墨水，从而在结构中留下嵌入的中空管道。随后可将通常构成血管的细胞填入这些管道。
以这种方式构建复杂而微小结构的能力，可能是生物打印医疗3D打印市场的核心；据市场研究公司IDTechEx称，该市场10年内的价值可能达到30亿至50亿美元。
不过，扩大规模对3D打印的长期可行性同样至关重要。扩大生产规模的关键在于进一步开发轻质、坚固、柔韧且具有动态性能的材料。高性能聚合物已用于3D打印的 喷气发动机部件等产品。然而，要实现大规模应用，材料还必须达到严格的门槛，例如满足建筑性能标准中对活荷载、恒荷载、地震荷载和风荷载的要求，以及隔热和防火要求。材料还必须能够耐受湿气、热量和其他可能导致建筑结构膨胀、收缩和侵蚀的环境因素。
考虑到这一点，阿姆斯特丹3D打印运河住宅项目的建筑师一直使用生物塑料进行打印，这种材料由80%的植物油制成，熔点为170摄氏度。目前尚不清楚这种塑料是否适用于并非作为研究项目的住宅。打印住宅和办公楼时，还必须能够在建成后改动布线，或修正结构中未预见的问题。例如，必须考虑电气、管道和空调管道的布置；同样也要考虑在墙体内嵌入传感器的可能性。未来，支持物联网的3D打印建筑最终或可实现内嵌电路的交互式墙面、可调温的辐射地板，以及经光学增强的窗户。
要实现可行的大规模增材制造，还需克服另一项障碍：生产速度。目前，打印一枚蜡制结婚戒指可能需要长达四小时。福特欧洲等汽车制造商也曾公开指出，这项技术仍然过慢且成本过高，无法将增材打印用于大批量生产。（不过，汽车行业确实会用3D打印制作原型零件：打印只需四天而非四个月，成本为3000美元而非500,000美元。）
在建筑施工方面，要实现规模化提速，或许只需建造巨型打印机，效仿南加州大学教授Behrokh Khoshnevis的做法。过去10多年里，他创建了一套能够打印400平方英尺结构的系统，并正在开发大型3D打印机，希望能在24小时内用混凝土建成一栋2,500平方英尺、多层住宅。中国公司盈创已声称使用四台打印机打印了10栋混凝土住宅；每台打印机尺寸为长150米、宽10米、高6.6米。
然而，扩大规模的最大制约因素可能是成本，而回收利用或许能发挥作用。中国的盈创项目称，利用建筑和材料废弃物制成了一种速干混凝土，使其能够以低于5,000美元的成本3D打印一栋650平方英尺的房屋——今年早些时候，该公司在苏州工业园区展示了其首栋3D打印六层住宅。总部位于伦敦的Studio Swine则更进一步，正在开发将海洋漂浮塑料回收制成3D打印材料的方法。一个人的垃圾或许很快就会成为所有人的宝藏。
本文由 GE Look Ahead合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Holly Hickman为GE Look Ahead撰稿。
2014年台北国际电脑展期间，Aurora的F1 3D打印机正在打印一尊小雕像。地点为台北南港展览馆。路透社/Pichi Chuang
